张起帆把兵力集结起来，正适逢战机。就在这时，日本航空母舰“翔鹤”号和“瑞鹤”号在警戒舰只的护航下，绕过马绍尔群岛东南端进入马里亚纳海域。这支日军舰队由海军中将高木武雄指挥，航空母舰编队由海军少将原忠一指挥。高木事先已经得到了消息，中国舰队在进行追击，他绕过马绍尔群岛后企图以一种钳形运动来捕捉中国海军的航空母舰，他差一点就得逞了。第二天夜里，日军舰队正向补给燃料的中国海军舰队迅速接近时，高木突然接到山本五十六的命令返航，实际上这时他离中国舰队已不到70海里。</p>
第三天拂晓，中国海军特混舰队在加罗林群岛北端海域航行，航向西北。将近7时，张起帆命令王海文海军少将指挥的2艘重巡洋舰和3艘驱逐舰向西北方向搜索前进，同时，他命令航空母舰编队向北航进。在此以前，高木和张起帆都不知道对方就在该海域活动。虽然张起帆根据情报得知日军有8艘航空母舰参加这次作战，并派出飞机进行搜索，但因天气恶劣的关系，没能发现该海域的两艘日军重巡洋舰。高木一直依赖水上飞机进行搜索，虽曾一度发现中国航空母舰编队，但后来水上飞机却失掉目标，没能再提供任何有价值的情报。</p>
天气渐渐变得晴朗起来。17日清晨，担任该方向侦察任务的中国侦察机开始报告敌情。8时15分，一位中国飞行员报告：在小岛以北不远的海面上发现航空母舰2艘和重巡洋舰4艘。于是，张起帆命令2艘航空母舰上的突击机群出动。82架飞机在侦察机返航之前就已出动。据后来查明，由于密码译错，上述情报失实。侦察机的报告本来是：发现巡洋舰2艘和驱逐舰2艘。</p>
张起帆判断，既然发现了日军舰队，附近必有更适于攻击的目标，于是他断然决定实施攻击。这一决定的正确性于10时20分得到了证实。据报告，就在突击机群前去攻击的目标东南35海里处，又发现2艘日军航空母舰及数艘其它舰只。该突击机群若少许修正一下航向，就能发现这个新的目标。</p>
11时许，突击机群开始攻击日本轻型航空母舰“白凤”号。首次突击就有13颗炸弹和7条鱼雷命中目标，使“白凤”号转眼间沉入海底。第一波突击机群着舰后，张起帆决定，在发现另外几艘日军航空母舰之前，第二波突击群暂不出动。另外，张起帆判断，日军可能已经知道中国航空母舰船位置，他所率领的航空母舰部队可能即将遭到袭击。</p>
可是，8月17日这一天，张起帆的舰队并未受到日军的袭击。因为日军的侦察情报一错再错，直到当天傍晚也未查明敌情。17日9时前，坐阵“盘城”号指挥作战的南云忠一接到所谓发现两支中国航空母舰编队的情报。其实，一个是张起帆的航空母舰编队，而另一个则是王海文的巡洋舰和驱逐舰构成的编队。接着，南云又收到来自东京的情报，获悉在该片海域东部还有1艘中国航空母舰。实际上这是“华凯”号油船。这艘油船是16日晚离开张起帆的本队，正在“心宿二”号驱逐舰的护航下开往会合海域。</p>
9时50分，日本人的飞机依次从航空母舰上起飞，前去攻击最西面的那支中国海军编队。日军飞行员返航后报告，击沉战列舰和巡洋舰各1艘。实际上日军飞机没能使王海文的本队受到任何损失。</p>
将“华凯”号油船误认为1艘航空母舰对日军的作战影响相当大。因为日军得到情报后，立即对那艘不幸的油船及其护航舰进行了猛烈的空袭。“心宿二”号驱逐舰中3颗炸弹，大部分舰员和军舰一起葬身海底。“华凯”号油船虽然中7颗炸弹，但并未沉没，一直到了第5天时，全部船员被赶来的中**舰救走。</p>
这一错误的袭击使日军陷入危险的境地。高木不顾即将天黑，决心在中国航空母舰再次袭击日军舰队之前将其击沉。他挑选出擅长夜战的飞行员，驾驶37架俯冲轰炸机和鱼雷机于16时15分向预想的中国航空母舰所在方向飞去。</p>
事实证明，日军的这一冒险很不值得。日军飞机实际上是从张起帆舰队的附近飞过的，但因天气不良和能见度较低而没有发现目标。中国海军已升空的战斗机，在雷达引导下，对这批日机进行了狠狠的截击，击落了其中的13架。一小时后，几架迷航的日机又飞回到了中国的航空母舰上空。这时，中国飞机正在“龙天”号航空母舰上空盘旋，准备着舰。日机刚要逃跑便被发现，中**舰迅速开火，日本飞机又被高射炮击落5架，其它的日本飞机狼狈逃跑。这次出击的日本飞机中，有18架被击落，另有11架着舰时堕入大海。高木派出的37架飞机只有8架安全返航。更为要命的是，“龙天”号航空母舰的雷达发现有飞机在东面约30海里处进行盘旋飞行，准备着舰。这等于明白的告诉中国海军的指挥官，日本航空母舰就在附近。</p>
据这些返航的日本飞行员报告，中国航空母舰就在附近，相距不过50到60海里。于是，交战双方的指挥官都已知道了对方的大概位置，并曾审慎地考虑过以水面舰艇实施夜间攻击，但都没有付诸实施，这是因为交战就近在咫尺，双方都怕削弱自己的警戒兵力。这样，马里亚纳海战的主要战斗就延到下一天进行。其实，中日两军舰队之间的距离，比双方指挥官的估计要大一些。据战后调查，两军的实际距离将近100海里。</p>
迄今为止，中日两军同在马里亚纳海域行动达两天之久，而且有两次接近到100海里以内，但都未直接交火。8月17日晚，双方指挥官都感到敌人就在眼前，种种迹象表明，第二天必将进行决战。夜间，张起帆指挥其编队首先向南，尔后向西进行规避；与此同时，高木舰队则向北航进。对两军的指挥官来说，胜负取决于18日早晨能否先于敌人查明对方的位置。双方都在凌晨派出侦察机进行搜索，8时刚过，双方侦察机几乎同时发现了对方。</p>
8月18日的战斗是在对中国海军相当不利的条件下进行的。中国海军有航空母舰3艘，飞机121架、高木有82架飞机，他背后的南云有125架，中国海军在轰炸机方面占有优势，日本海军则在战斗机和鱼雷机方面占有优势。</p>